水库大坝除险加固设计探析

刘玄

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙410000）

0 引言

近些年，我国不少水库在实际运行过程中因受到渗漏、大坝变形、坝体结构稳定性较差等安全隐患的影响，不仅无法发挥出其实际应有的效果，而且对人民的生命财产安全产生了严重的威胁。因此，加强水库病险问题与除险加固研究具有重要意义，本文主要围绕除险加固设计问题展开论述。

1 我国水库发展现状

水库对防汛减灾、供水保障和农业灌溉等至关重要。而我国现有水库大多数修建于上世纪50 至70 年代，虽然近年来已对近7.2 万座病险水库进行除险加固，但随着岁月推移，仍有许多水库陆续进入病险行列。究其原因，我国20 世纪六七十年代兴建的水库多数为“边勘测、边设计、边施工”，由于缺乏施工、管理、技术等经验，普遍存在稳定性差、防洪效果差、破损严重等问题，产生了不同程度的病险。

大多数病险水库不能安全稳定运行，水库调蓄能力有限，能发挥水库工程应有的效益，长时间带病运行也使保护范围内人民群众的生命财产安全面临巨大威胁，因此做好水库大坝除险加固工作十分重要。

2 水库大坝病险原因分析

据调查，水库产生病险的原因比较复杂，往往是一种或几种因素共同作用的结果，且以多种险情并存为主，原因可以归纳为以下几种：

①防洪标准低。顶高、坝坡坡比及溢洪道断面达不到规范要求是主因。若坝顶高和溢洪道断面不足极易在特大暴雨时漫坝漫溢洪道导致坝坡与溢洪道挡墙被洪水冲刷崩塌溃坝倒墙。若坝坡过陡，因稳定不够而引起坝体滑坡等破坏。

②施工质量差。水库病险大坝较多为均质土坝，大多土料不达标，人工夯填不实，防渗层薄，块石硬度及大小不足，防雨与排水不及时，施工质量把关不严，施工质量差。

③清基不到位。病险大坝多建于软土地基，软土层相对较厚，多数未清基至相对不透水层，土坝完工后沉陷大，常引发坝体局部变形、坍塌。

④坝顶坝周无排水沟。遇短历时大到暴雨，洪水顺坝面漫流，冲刷成沟成渠，导致坝表土松散、滑塌。

⑤管理不善。水库无专人巡库，无管理房，发现工程问题处理不及时；闸门、拉杆与启闭机不配套、锈蚀重且设备老化更换不及时；闸门变形、涵洞漏水处理不及时；启闭房破旧漏水修缮不及时；缺少专业技术人员、除险资金严重不足、缺乏防汛物资，加固及维养计划工作难开展。

针对水库存在的病险问题，必须开展针对性的除险加固设计，由此方可确保水库安全和效益的充分发挥，对地方经济和社会发展具有十分重要的意义。

3 实例探析水库大坝除险加固设计方案

3.1 项目概况

本文仅以某病险水库大坝为例展开分析，水库工程等别Ⅱ等，控制流域面积1782km2，现状总库容5.28 亿m3，是一座以防洪为主，兼顾灌溉、发电、养殖等功能的大（2）型水库。水库枢纽由土坝、浆砌石坝、溢洪道（闸）、放水洞及坝后水电站等建筑物组成。水库挡水建筑物全长2216.2m，最大坝高33.65m。水库灌溉面积48.7 万亩，坝后电站总装机容量5640kW。

3.2 水库大坝病险问题

大坝渗漏方面的问题主要表现在以下几个方面：

①大坝接高部分斜墙壤土：渗透系数值1.2×10-4～1.3×10-3cm/s，为中等透水层，不满足规范要求。

②大坝下部心墙壤土：壤土平均压实度0.95，达不到现行规范要求。心墙土渗透系数范围值 4.2×10-5～1.4×10-4cm/s，不满足规范要求。

③截渗槽齿墙壤土：壤土平均压实度为0.96，达不到现行规范要求。齿墙土渗透系数为5.6×10-5cm/s，不满足规范要求。

④西副坝坝体宽心墙壤土：坝体压实度为0.88～0.90，不满足规范要求。大坝填筑质量不均匀，勘察过程中多产生不同程度的漏浆现象。渗透系数范围值为1.8×10-4～2.5×10-3cm/s，具有中等透水性，不满足规范要求，坝体质量差。

⑤东副坝坝体宽心墙壤土：压实度为0.74～0.99，不满足规范要求。渗透系数 6.9×10-5～1.2×10-3cm/s，具有中等透水性，不满足规范要求，坝体质量差。

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3.3 渗流加固设计方案

3.3.1 加固前渗流计算分析

综合大坝分区分带性结合重点部位分析，选取大坝0+290 断面进行二维渗流分析。计算程序选用岩土计算仿真软件GeoStudio2007 中的Seep/W（地下水渗流分析软件）模块。依据地勘建议综合历次勘探成果结合测压管观测反演调整，选定大坝各分区土料渗透系数。其中，主坝上部壤土渗透系数根据注水试验情况估算所得。渗透系数选取值见表1。

表1 大坝渗透系数选取值

表2 各计算断面控制部位计算比降及渗漏量

3.3.2 计算工况

根据水位组合确定计算工况如下：

工况1：正常蓄水位：上游水位：176.27m，下游水位：平坝后地面；

工况2：设计洪水位（p=1%）：上游水位：178.22m，下游水位：平坝后地面；

3.3.3 计算成果

正常运用条件下，心墙出逸点、齿墙、坝坡出逸点比降均满足规范及运行要求，由于防渗体渗透系数偏大致使坝体单宽米渗漏量较大。非常运用条件下，水流绕过心墙从上部斜墙出逸，出逸比降大于壤土允许值极易产生渗透破坏，浸润线及坝坡出逸点较高对下游坝坡稳定不利，齿墙接触面水平比降临界于允许值容易产生冲刷破坏，坝体单宽米渗漏量大。

3.4 防渗加固设计方案比选

根据现状结合水库除险加固的建设性质，大坝防渗加固宜采用垂直截渗措施，即塑性混凝土防渗墙截渗方案。

根据防渗体的位置及挡水要求，初步拟定复合土工膜及粘土斜墙两个方案。结合大坝上部防渗体的挡水要求确定大坝上部加固采用粘土斜墙方案，即防渗斜墙位于上游坝坡的棱锥体壤土斜墙处，为挖除原壤土置换为粘土方案。根据现有坝型情况，比选上游坝肩及坝前原心墙中心线两条轴线，轴线Ⅰ上游坝肩处、轴线Ⅱ上游坝坡原心墙中心线处，从便于施工操作减少工程影响，尽可能保留现有大坝上部完好的护坡，降低工程总体造价，选用轴线Ⅰ上游坝肩处。

3.5 加固后渗流计算分析

防渗加固后计算断面控制部位计算比降及渗漏量见表2。

经防渗加固后，防渗效果明显，坝体渗流流态及渗漏量较现状有了显著的改善。主坝段各计算工况下坝后浸润线已降至砂层，齿墙、防渗墙、坝后坡出逸比降均显著降低满足土体允许要求；大坝渗漏量较加固前减少63%，截渗效果明显，水头消减大于80%，坝后浸润线明显降低，证明防渗方案合理可行。

4 结语

综上所述，我国不少水库经过长期运行，病险问题越加严重，落实水库除险加固工程具有重要意义。针对水库实际情况，需科学开展除险加固设计，满足水库防洪等相关标准，彻底消除大坝不稳定隐患，保证工程安全运行，保障库区流域人民的生命财产安全。